南昌地鐵4號線列車運行對南昌西站站房結構的振動影響*

崔聰聰 雷曉燕張 凌

（1.江西省交通設計研究院有限責任公司，330052，南昌；2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌∥第一作者，助理工程師）

大型綜合交通樞紐車站大多由高架層、高架夾層、站臺層與地下層等組成。我國近年才開始建設這種現代化的大型綜合交通樞紐，國外亦少見。樞紐車站的地下層同時穿過多條地鐵線，使車站建筑處于非常復雜的振動環境中。目前，地鐵列車引起地面建筑環境振動的研究已經取得一定成果，但是地鐵列車對綜合交通樞紐車站的振動特性研究仍十分匱乏。國內外對地鐵列車運行所引起的環境振動研究大多采用數值模擬的方法［1-3］和現場試驗法［4］。文獻［5-6］通過現場實測的方法分析了地鐵列車運行對與地鐵合建的建筑結構環境振動特性的影響。文獻［7］對大跨度車站結構精細化模型進行了研究。

南昌西站是南昌市的大型綜合交通樞紐，主體由下到上依次為地下層、軌道層、高架層、高架夾層。鐵路南昌西站候車廳位于地上二層，地鐵2號線、4號線從地下層下方穿越。為研究在地鐵4號線列車行駛激勵下樞紐車站的振動響應，應用有限元軟件Ansys，建立了南昌西站模型。通過分析在不同隧道埋深、不同列車行駛速度下南昌西站站房結構的振動響應，得到地鐵列車行駛激勵下站房結構的振動響應規律，進而評測地鐵列車運行對站房結構的影響。

1 綜合樞紐車站——南昌西站的計算模型

鐵路南昌西站候車廳層位于整個站房結構地上二層，標高約8.5 m。南昌西站東西方向的柱網間距為 18.0 m，18.0 m，18.0 m，25.0 m，18.0 m，18.0 m，18.0 m；南北方向的柱網間距為22.0 m，30.0 m，51.5 m，53.0 m，42.0 m，42.0 m，53.0 m，51.5 m，30.0 m，22.0 m。地鐵2號線隧道埋深14 m，以南北方向運行通過南昌西站；地鐵4號線隧道埋深19.3 m，以東西方向通過南昌西站。線路布置圖見圖1。

圖1 南昌西站線路布置示意圖

南昌西站是新型客運樞紐站，設有鐵路南昌西站，同時通行2條地鐵線路。利用ANSYS軟件建立南昌西站土體-地鐵隧道-站房結構整體模型。利用無砟軌道雙層梁模型［8］對地鐵4號線輪軌力進行數值模擬，對整體模型施加地鐵列車行駛激勵，計算分析地鐵列車以120 km/h的速度通過南昌西站時，距離地鐵軌道中心不同地面點的振動響應。振動響應峰值加速度見表1。通過距離地鐵軌道中心線不同地面點的振動響應可以看出列車通過時振動加速度的變化情況：隧道壁的振動加速度幅值大于地面；地面振動加速度值隨著與地鐵線路中心線距離的增加而減少；如果以峰值加速度作為考量，距離地鐵軌道中心線24～36 m、60～72 m的地面區域呈現振動放大。

選取隧道壁、距離隧道軌道中心線0 m的地面響應點，以及距離隧道軌道中心線24 m的地面關鍵點，對這3個點進行頻譜曲線分析（見圖2）。

從隧道壁關鍵點到距離軌道中心線24 m處的地面點，振動加速度主頻逐漸向20 Hz移動，說明高頻振動會隨著距離增加而逐漸衰減，而低頻振動衰減緩慢。數值模擬的振動變化規律與實測情況相符，可以確認此加載方法的正確性。

表1 120 km/h速度下不同觀測點的振動響應

圖2 不同響應點的頻譜曲線

2 時域與峰值加速度分析

2.1 隧道埋深相同、列車速度不同時站房結構振動響應

南昌地鐵4號線隧道埋深19.3 m。分別計算南昌西站站房結構在列車以60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h不同速度下的振動響應。

2.1.1 關鍵點的布設

（1）樓板層關鍵點：選取18 m長的樓板跨中位置，距離軌道中心線 0 m、12 m、24 m、36 m、48 m 的關鍵響應點，標為L1、L2、L3、L4、L5（見圖3 b））；

（2）商業夾層關鍵點：選取上述樓板關鍵點正上方對應的點,作為商業夾層關鍵點，標為 S1、S2、S3、S4、S5（見圖3 c））。

2.1.2 關鍵點的振動響應

地鐵4號線列車以不同的速度通過南昌西站時，不同結構層的峰值加速度見表2。

通過相應的時域響應曲線可知：不同結點加速度隨時間先增大再變小，并在較低的水平逐漸趨于平穩，反映了振動的衰減趨勢；在相同的速度下，不同結構層的時域響應曲線總體趨勢較為一致；同一結構層的時域響應曲線在不同速度下的變化趨勢較為一致，速度越大，越早出現振動峰值。由于4號線的軌道中心線距離南昌西站站層關鍵點水平距離有35 m，所以對上部結構的振動響應較小。隨著與軌道中心線間距離的增大，樓板關鍵點的峰值振動加速度迅速減少。

2.2 隧道埋深不同、列車速度相同時站房結構振動響應

2.2.1 關鍵點的布設

選取不同結構層的關鍵點分析振動響應：關鍵點V1位于南部樓板25 m跨中處，與軌道4號線垂直距離72 m；關鍵點V2位于距離軌道中心線0 m、樓板跨度為25 m的跨中處；關鍵點V3位于大跨度商業夾層距離軌道中心線0 m、樓板跨度為25 m的跨中處；關鍵點V4位于軌道層，距離軌道中心線0 m。關鍵點布設見圖3，關鍵點V2、V3、V4僅在高度上有差異。

2.2.2 關鍵點的振動響應

4號線列車以120 km/h通過時，4號線在14.0 m、16.0 m和實際的19.3 m等3種不同埋深下，不同結構層關鍵點的振動響應見表3。由表3可知，通過計算南昌西站不同結構層關鍵點的振動響應峰值加速度，4號線采用不同的埋深，上部結構層的振動響應較小，主要是因為土體差異和距離關鍵點不同的影響。

圖3 樓板層關鍵點的布設

表2 同一埋深、不同列車速度下各關鍵點的振動響應m/s2

表3 120 km/h速度下隧道不同埋深關鍵點的振動響應m/s2

當4號線隧道埋深19.3 m、以120 km/h速度通過南昌西站時：① 分析 V1、V2、V3、V4不同方向的加速度見表4，可以看出豎向峰值加速度與橫向、縱向的峰值加速度相差一個量級，說明土體對橫向、縱向的加速度影響較大。②對于不同結構層的框架柱關鍵點 A、B、C、D、E（具體位置見圖 3 b）），分析其豎向峰值加速度見表5，可以看出：地鐵層的振動通過框架柱向上傳遞至高架層；隨著距軌道中心線距離的增大，振動響應迅速減少。

表4 各關鍵點不同方向的振動響應m/s2

3 站房結構頻域分析

地鐵4號線以隧道實際埋深19.3 m通過樞紐站房時，在地鐵行駛激勵下可對站房結構不同節點的加速度時程進行快速傅里葉（FFT）變換，得到不同結點的加速度功率譜。

由加速度功率譜可知，地鐵引起的結構層振動主頻在0～60 Hz范圍內，同一關鍵點在不同速度、不同隧道埋深下的頻譜特性較為一致。其中：0～40 Hz附近的振動隨距離衰減最慢，合建建筑結構上部結構的振動頻率分布特性基本上一致，樓板層的頻率分布主要集中在0～60 Hz范圍內；商業夾層的頻率分布主要集中在0～40 Hz范圍內。這說明隨著高度的增大，結構層的高頻成分衰減較快。

通過樓板關鍵點在不同埋深處的頻譜曲線可以看出，隨著距隧道振源距離的增大，樓板的振動主頻向低頻移動。通過關鍵點在不同方向的頻譜幅值可以看出，豎向振動響應幅值大于橫向、縱向的振動響應幅值，3個方向的振動主頻較為一致。

表5 不同結構層框架柱關鍵點的峰值加速度 m/s2

4 振動水平評價

4號線以120 km/h的速度通過南昌西站時，各關鍵點在不同隧道埋深下的豎向最大Z振級見表6。由表6可知：隨著隧道埋深的增加，最大Z振級逐漸減弱；同一車速下，埋深每增加2 m，不同結構層Z振級衰減2～4 dB。

表6 不同隧道埋深下不同關鍵點的最大Z振級dB

當地鐵4號線隧道埋深為19.3 m時，列車以不同速度通過南昌西站，各關鍵點的豎向最大Z振級如表7所示。由表7可知：車速每增加20 km/h，不同結構層Z振級增大1～3 dB。

表7 關鍵點的豎向最大Z振級dB

地鐵4號線在隧道埋深19.3m時，列車以120km/h的速度通過南昌西站時，不同結構層的關鍵點V2、V3、V4在不同方向的振動響應見圖 4 a）、4 b）、4 c）。

圖4 不同關鍵點的1/3倍頻程曲線

通過圖4的3個1/3倍頻程曲線可以看出，南昌西路結構在分析頻率范圍內的豎向振動響應大于橫向、縱向振動響應，豎向比橫向、縱向高9～12 dB。關鍵點出現最大加速度振級的頻率隨著結構高度的增大逐漸向低頻移動，樓板層出現最大振級對應的頻率接近12 Hz，軌道層接近31 Hz，商業夾層接近9 Hz。

5 結語

（1）如果以峰值加速度作為考量，則振動放大區域出現在地面24～36 m及60～72 m處。隨著距振動源距離的增大，高頻振動會隨著距離增加而逐漸衰減，而低頻振動衰減緩慢。

（2）地鐵4號線通過南昌西站時，土體對橫向、縱向的加速度影響較大。樓板層的豎向峰值加速度與橫向、縱向的峰值加速度相差一個量級，地鐵層的振動通過框架柱向上傳遞至高架層。

（3）南昌地鐵引起的結構層振動主頻為0～60 Hz，其中20 Hz和40 Hz附近的振動隨距離衰減最慢。隨著高度的增大，結構層的高頻成分衰減較快。

（4）在地鐵列車行駛激勵下站房結構的Z振級隨著隧道埋深的增加逐漸減弱；同一車速下，埋深每增加2 m，不同結構層的Z振級衰減2～4 dB；同一埋深下，車速每增加20 km/h，不同結構層的Z振級增大1～3 dB。

（5）通過模型仿真研究了南昌西站這一大型綜合交通樞紐車站在地鐵荷載作用下，不同結構層關鍵點的振動響應特性。但由于結構模型較大，節點數量眾多，且為了節約計算時間，僅討論了列車在較高運行速度（120 km/h）的情況。因此，結構模型的精細化仍需完善，振動特性有待進一步深入研究。